Vázlat: 2. A számítógép (PC) fogalma, elvi felépítése A Neumann-elvű számítógépek általános felépítése

Átírás

1 A Neumann-elvű számítógépek általáns felépítése Vázlat: 1. A Neumann-elv 2. A számítógép (PC) fgalma, elvi felépítése 3. A számítógép fizikai egységei: a. Alaplap b. Prcesszr c. Memória RAM - dinamikus - statikus ROM d. Buszrendszer e. Interfészek f. Számítógép ház g. Perifériák i. Input ii. Output iii. Háttértárlók 1. Neumann-elv A mai értelemben vett számítógépek működési elveit a haditechnikában megszerzett tapasztalatk felhasználásával eumann Jáns ( ), magyar származású tudós dlgzta ki ban láttt hzzá az újabb elektrnikus számítógép, az EDVAC megvalósításáhz, ami 1951-re készült el. Az EDVAC vlt az első belső tárlású számítógép. (prgram és adat egy helyen) A legtöbb számítógépet napjainkban is a jelentésben megfgalmaztt elvek alapján készítik el. Fő tételeit ma eumann-elvekként ismerjük. Alapelvek: A számítógép lyan matematikai prblémák megldására szlgál, amelyekre az ember önállóan is képes lenne. A cél a műveletek végrehajtási idejének meggyrsítása. Ennek érdekében minden feladatt összeadásk srzatára kell egyszerűsíteni, ezután következhet a számlás mechanizálása. 1. Teljesen elektrnikus, autmatikus gép 2. Kettes számrendszer használata 3. univerzális 2. A számítógép (PC) fgalma, elvi felépítése 4. Belső prgram- és adattárlás, a tárlt prgram elve 5. Külső rögzítőközeg alkalmazása Számítógépnek nevezzük azkat az elektrnikus és elektrmechanikus gépeket, amelyek prgram által vezérelve adatk befgadására, tárlására, visszakeresésére, feldlgzására és az eredmény közlésére alkalmasak. Az első személyi számítógépet (Persnal Cmputer) az IBM gyárttta 1981-ben. Tág perifériakörrel rendelkeztek, s a típusk a felülről kmpatibilitás elve szerint fejődtek. Mind hardver, mind szftver elemekre használjuk ezt a fgalmat, amely együttműködő-képességet jelent. Két elemet akkr nevezünk kmpatibilisnek, ha azkat a számítógép rendszerén belül, a számítógép képes mindkettőt működtetni. Például az alaplapunk kmpatibilis a prcesszrral. Szftver esetén két alkalmazásra mndják, hgy kmpatibilisek, ha az egyikkel készített adatkat (fájlkat) a másikkal fel lehet dlgzni. Felülről kmpatibilisnek neveznek két szftvert (egy szftver régebbi és újabb verzióját), ha a régebbivel készített minden adatt (állmányt) lehet kezelni az újabb verzióval. Frdítva ez nem lehetséges, hiszen a régebbi nem lehet úgy megírva, hgy benne legyen az, amit csak a jövőben fgnak kitalálni. Szkták még számítógépekre mndani, hgy például IBM PC kmpatibilis : ez azt jelenti, hgy nem feltétlenül az IBM cég gyárttta, de azns feltételek esetén a prgramk ugyanúgy működnek rajta, mint az eredeti IBM PC-n. 1

2 Elvi felépítése a következő: A számítógép egyes részegységeit az illesztőegységek, vagy interfészek kötik fizikailag és lgikailag össze. A számítógép teljesítményét alapvetően a CPU és belső busz sebessége (a belső kmmunikáció sebessége), a RAM mérete és típusa, a merevlemez sebessége és kapacitása határzza meg. Gyakrlatban a CPU és a memória az alaplapn helyezkedik el. Egy kmplett számítógépet, amelyet az általunk választtt hardver és szftver elemekkel állítttak össze, knfigurációnak nevezzük 3. A számítógép fizikai egységei a) Az alaplap Az alaplap egy többrétegű nymtattt áramköri lap, amelyen különböző méretű és alakú csatlakzók helyezkednek el, melyek biztsítják az összeköttetést a hardvereszközök és a prcesszr között. Típusai: XT: a legelső alaplapk vltak ilyenek, ma már nem gyártják AT: használatuk kiszrulóban ATX: A mai számítógépek jelentős része ezt az alaptípust használja. Bővítőhelyeik száma általában 8 (ISA, PCI, AGP), de ez gyártónként eltérő lehet. Részei a következők: akkumulátr vagy gmbaelem, billentyűzet csatlakzó, bővítőhelyek, CMOS, Direkt Memória-elérés vezérlő, időzítőegység, különböző kijelzők, LED-ek, megszakítás vezérlő, memóriabank, órajel-generátr, periféria illesztő, prcesszrfglalat, ROM BIOS, stb. b) A Közpnti vezérlő egység = a prcesszr. A számítógép agya a közpnti vezérlőegység (CPU: Central Prcessing Unit). Két fő része a vezérlőegység ( CU: Cntrll Unit), ami a memóriában tárlt prgram dekódlását és végrehajtását végzi, valamint az aritmetikai és lgikai egység (ALU: Arithmetical and Lgical Unit), ami a számítási és lgikai műveletek eredményének kiszámításáért felelős. A közpnti vezérlőegységet prcesszrnak is nevezzük. Feladata: számítógép működésének vezérlése, prgramutasításk végrehajtása (a gép irányítása, a feldlgzási flyamatk vezérlése, az adatk feldlgzása, számításk elvégzése, a memóriában tárlt parancsk kilvasása és végrehajtása, illetve az adatfrgalm vezérlése) kapcslattartás a szgép egyéb egységeivel Az utasításk végrehajtásáhz a CPU átmeneti belső tárlóhelyeket, ún. regisztereket használ, amelyek gyrsabban elérhetők, mint a memória. A CPU-t sínrendszer köti össze a memóriával és a perifériavezérlőkkel. Megkülönböztetünk cím-, adat-, valamint vezérlősíneket. A vezérlősínen jelenik meg az órajel, amely a prcesszr ütemezéséhez használt jelfrrás. A CPU sebességét 2

3 megahertzben (MHz) mérik. Az áramköröket vezérlő órajel frekvenciája a prcesszr sebességének mérőszáma. Ha az órajel például 300 MHz, akkr a prcesszr 300 millió műveleti ciklust végezhet el másdpercenként. A CPU-k jellemzésekr megadják a tranzisztrk számát, a regiszterek méretét, s az adatvezetékek számát, illetve a fglalat típusát. Ez utóbbi az alaplapn helyezkedik el. A mai személyi számítógépek többségében a következő gyártók a teljesség igénye nélkülgyártanak prcesszrkat: Intel, az AMD, a VIA (egykr Cyrix utódja), Mtrla, Texas, stb. Sebességük váltzó, de jelenleg a leggyakribbak 2-3Gh. Rendelkeznek belső gyrsítótárral (cache) is. Tartalmazzák a matematikai cprcesszrt, multimédiás utasításkészletet (MMX) is. Régebben számmal (486, 5x86, Pentium, stb.) aznsíttták. Szerzőjgi viták elkerülése végett az Intel a 486 s prcesszrai után a Pentium nevet használja. A gyártók megkülönböztetésül a termékeiknek fantázianeveket adnak. Emeljük egy táblázatba a két legnagybb rivális prcesszrgyártó főbb CPU családjait 1993-és napjaink között. A tájékzódást nehezíti, hgy a gyártók a prcesszr magt is fantázia nevekkel aznsítják. Így nem könnyű egy egyszerű vásárlónak meghatárzni, hgy milyen közpnti vezérlőegységet válasszn. Intel AMD Pentium AMD K5 Pentium II. (Celern, XEON) AMD K6 Pentium III (Celern II, Xen) AMD (ThunderBird, Durn, Athln Xp) Pentium IV (Itanium, AMD (XP, Sempern, Athln FX 55, Athln64) Az elmúlt évtized a gigahertz jegyében telt el, a prcesszrk működési sebességét jellemző számadat a laikus közönség számára a prcesszr jóságát is jelezte. A gyártók aznban azzal a kellemetlen ténnyel szembesültek, hgy a minél nagybb órajellel vezérelt prcesszrk hőleadása szinte expnenciálisan nő az órajel függvényében. A gigahertz-hábrú a hő növekedés miatt véget ért, és kezdetét vette a mag-hábrú. Mag (anglul cre, ejtsük kór-nak) az a prcesszrrész (ALU), amely valóban a műveleteket végzi - összead, kivn, kettővel szt vagy szrz, invertál. Egy mag egyetlen órajel alatt már több, párhuzams művelet elvégzésére is képes. Az előkészítő rész fnts mérője a cache nagysága, cache-ből többféle is akad, mi az L2 jelzésű méretét szktuk figyelni, ez a Cre Du chip esetén 2MB, a Cre 2 Du esetén pedig 4MB. Léteznek már négy mags chipek is, de vegyük biztsra, hgy jön még a nylc és a 16 mags is - amíg technlógiai krlátba nem ütközik a mag-szám növelés. Felmerül a kérdés, hgy miért nem integrálnak két CPU-t a lapkára? A két prcesszr egymás között nem tudna közvetlenül adatt cserélni, csak a gép memóriáján keresztül - ami két-hárm nagyságrenddel lassabb, mint a chipen belüli adatcsere. Intel: Xen szerverprcesszr, LGA771 fglalatba illeszkednek. Quad-Cre Xen négymags prcesszr, csak kevés alkalmazás tudja kihasználni a négy magban rejlő előnyt, LGA775 fglalatba illeszkednek Cre 2 Du kétmags, rendkívül jó ár/érték mutatójú, nagy teljesítményű prcesszr, LGA775 fglalatba illeszkednek. Cre 2 Quad Otthni gépekbe szánt négymags prcesszr. Pentium 4, Pentium D Az Intel előző architektúrára épülő prcesszr családja, van kétmags is belőle, a Pentium 4-esek első verziói (Willemate) S423 fglalatba illeszkedtek, másdik verziói (NrthWd, Presctt 1M) S478 fglalatba illeszkednek, és a Pentium 4-esek legutlsó verziói (Presctt 1M, Presctt 2M és Cedar Mill) LGA775 fglalatba illeszkednek. A Pentium D-k (Pressler) kizárólag LGA775 fglalatba illeszkednek. Celern mérsékelt árú és teljesítményű prcesszr, Willemate magsk S478, NrthWd magsk S478, és Presctt magsak pedig S478 illetve LGA 775 fglalatba illeszkednek. Pentium M (Mbile), Celern M, Cre Sl, Cre Du, Cre 2 Du, mbil gépekbe szánt mérsékelt fgyasztású és hőleadású prcesszrk. 3

4 AMD: Optern szerverprcesszr, S940 fglalatba illeszkednek vagy am2 fglalatba. Quad-Cre Optern négymags prcesszr, Scket F(S1207) fglalatba illeszkednek. Athln FX Csökkentett teljesítményű Optern prcesszrk, az FX5x széria egymags prcesszr vlt, az FX6x széria pedig kétmagsak. Az AMD 2007-ben vezette be az AMD 4x4-et, mellyel 4 mags rendszert lehet létrehzni úgy, hgy egy alaplapn 2db prcesszrfglalat van. Egyelőra csak az nvidia gyárt hzzá chipsetet, és csak Scket F(S1207) fglalatban működnek. Athln X2 Az AMD kétmags prcesszra, S939 illetve Scket AM2 fglalatba illeszkednek. Athln64 Az AMD híres egymags prcesszrcsaládja, S754,S939, Scket AM2 fglalatba illeszkednek Semprn mérsékelt árú és teljesítényű prcesszrk, S754, S939 és Scet AM2 fglalatba illeszkednek. Turin Az AMD mbil prcesszra Turin 64, Turin X2 64 bites; illetve kétmags mbil prcesszrk c) Memória A memória elektrnikus adattárlást valósít meg. A számítógép csak lyan műveletek elvégzésére és csak lyan adatk feldlgzására képes, melyek a memóriájában vannak. Az infrmáció tárlása kettes számrendszerben történik. A memória fntsabb típusai a RAM, a ROM. RAM ez a számítógép peratív tára (A RAM az a memóriaterület, ahl a prcesszr a számítógéppel végzett munka srán dlgzik.) írható és lvasható tartalma a számítógép kikapcslása után megszűnik, tartalma flyamatsan váltzik, mert működéséhez flyamats áramellátásra van szükség. Ha az áramellátás megszakad például áramszünet vagy a gép kikapcslása esetén a RAM aznnal elveszíti tartalmát. A gép bekapcslásakr a RAM mindig teljesen üres. végrehajtás alatt álló prgramk és azk adatai tárlódnak itt. Fajtái: DRAM: dinamikus RAM (állandó áramellátás mellett is jelfrissítést igényel) SRAM: statikus RAM (Nem igényel frissítést, de költséges az előállítása.) - főleg gyrsítótárakban (Cache-tár) alkalmazzák - Ilyen gyrsítótárakat találhatunk a prcesszrban (64KB-4MB), az alaplapn, a háttértárakban (8-16MB). SDRAM: néhány évvel ezelőtti gépekben jellemző DDR SDRAM: napjainkban használjuk ( 2-szeres sebesség az SDRAM-khz képest) Ez a RAM típus kisebb energiafelvétele miatt különösen alkalmas a hrdzható számítógépekben való használatra. RDRAM: Napjaink egyik leggyrsabb RAM típusa, mely az előbb ismertetett RAM típuskhz képest nagyságrendekkel nagybb adatátviteli sebességre képes. VRAM: videram (ez a memóriegység a videkártyán található és kizárólag a képernyőt kezeli) videram mérete a felbntás és szín összefüggésében Felbntás szín méret 640 x KB 640 x KB 1280 x ,7 millió 4 MB 4

5 ROM - Csak lvasható, amelynek tartalmát a gyártás srán alakítják ki, más szóval beégetik a memóriába. Az elkészült ROM tartalma a tvábbiakban nem törölhető és nem módsítható, a hibás ROM-t egyszerűen el kell dbni. - A számítógép kikapcslása után sem veszti el a tartalmát. Ezért itt tárlódnak azk a prgramk, amelyekre a számítógépnek mindig szüksége van (példa: BIOS nevű prgram, ami a számítógép életre keltését szlgáló indítóprgram. Szkás: ROM BIOS-nak is nevezni, rendszer indulásáért, gép önellenőrzésért, perációs rendszer betöltéséért felelős) - Típusai: Vannak lyan ROM-k amelyek tartalma speciális eszközökkel újraírhatóak: PROM: - EPROM: ultraiblya sugarakkal törölhető csak a tartalma - EEPROM: elektrnikus jelekkel törölhető csak a tartalma Az EEPRPOM egyik váltzata a Flash memória példa: - memóriakártyák laptpkhz, fényképezőgépekhez, videkamerákhz - pen-drive A Flash memóriáról: Gyrs, törölhető és újraírható félvezető alapú memória, mely az infrmációt kikapcslt állaptban is megőrzi. Szftverfüggő alkalmazásknál, pl. egy mdemnél, alaplapnál- az üzemeltető prgram későbbi felújítását lehetővé teszi, alkatrészcsere nélkül. Nagy népszerűségre a digitális fényképezőgépek elterjedésével tett szert. A memória egy un. memóriakártyára kerül ráépítésre. A flash memóriának 4 féle váltzata van: SmartMedia, CmpactFlash, a Sny MemryStick és egy visznylag új, az SD, vagy MultiMedia kártya. Igazából nagybb különbség nincs ezek között a kártyák között, mint a méretük és frmájuk. Elsősrban adattárlásra szlgálnak. A számítógéppel egy memóriakártya lvasóval lehet összekötni, amely általában az USB prtn keresztül csatlakzik. A másik népszerű felhasználási területe a pen-drive, azaz az USB-s flash memória. Rhams terjedésével úgy tűnik, végre megvan a flppy lemezt leváltó alternatíva. A kis eszközből már egyre gyrsabb (ld. USB 2.0) és egyre nagybb kapacitású darabk készülnek (már több GB-s pen-drive is kapható), használhatósága pedig gyakrlatilag megegyezik a flppy lemezével: az adatkat tetszés szerint máslhatjuk rá, vagy törölhetjük le róla, ráadásul sérülékenység tekintetében is kevésbé veszélyeztetett. Nagy divat lett mára a flash memória kmbinálása más eszközökkel, példa erre az MP3 játszó. Igaz a ROM memóriáknál tárgyaljuk, de a háttértárak témakörhöz tartzik. d) Busz vagy sín A gép különböző egységeit (számítógépen belüli) összekötő adatcsatrnák, vezérlő áramkörök, a hardver elemeken, prcesszrn belül helyezkednek el. Feladatuk: az infrmációk, jelek egyik pntról a másikba juttatása, az adatáramlásban résztvevő eszközök kijelölése, az adatátvitel irányának, és a működésének összehanglása Funkciói szerint: címbusz: megfelelő memória-rész kiválasztása adatbusz: adatk írását, lvasását teszi lehetővé vezérlő-sín: az egyes egységek közötti adattvábbítást szinkrnizálja. A vezérlősínen jelenik meg az órajel, amely a prcesszr ütemezéséhez használt jelfrrás. 5

6 buszrendszerek: ISA (régi számítógépekben még megtalálható, 16Bit széles) videkártya, hangkártya, mdem csatlakzása PCI (64 Bit széles) videkártya, hangkártya, mdem csatlakzása Ezek a mikrprcesszr nélkül is tudnak kmmunikálni, ezért a CPU tehermentesíthető. Nem prcesszrfüggő, könnyen installálható. AGP (128 bites buszrendszer) videkártya csatlakzása PCI-Express (legújabb gépekben használják) jelenleg videkártya csatlakzása PCMCIA hrdzható számítógépek buszrendszere IDE vagy PATA háttértárak (merevlemez, CD-, DVD meghajtók) csatlakzása (új gépekben nem jellemző) SCSI - háttértárak (merevlemez) csatlakzása (új gépekben nem jellemző) SATA háttértárak csatlakzása (új gépek jellemző csatlakzási felülete) e) Interfészek: = csatlakzók a különböző perifériákhz Srs prt: 1 vezetéken az adatk bitenként srban egymás után tvábbítódnak Előny: kevés vezeték kell, és hsszabb táv Hátrány: lassú adattvábbítás Egy számítógépben maximum négy ilyen csatlakzási lehetőség lehet, melyeket COM1, COM2, COM3 és COM4-nek nevezünk. példa: srs prtra csatlakztatható - egér, mdem Párhuzams prt: az adatk egyszerre tvábbítódnak ugyanabban az időben, két irányba is áramlhatnak Előny: gyrsabb adattvábbítás Hátrány: kisebb távlság, több vezeték kell A számítógépen általában egy vagy két ilyen prttal találkzhatunk, melyeket LPT1 és LPT2 néven aznsítunk. Példa: párhuzams prtra csatlakztatható nymtató GAME-prt: erre csatlakztatható a btkrmány, MIDI eszközök PS/2: kör alakú csatlakzó, Pl: billentyűzet, egér USB-prt: egy időben egy ilyen prtn 127 periféria csatlakztatható Az USB szabvány tvábbfejlesztéseként megjelent a nagybb átviteli sebességet biztsító USB 2.0. Példa: egér, billentyűzet, hangszóró, nymtató, szkenner, webkamera, digitális fényképezőgép IEEE 1394-prt: (legismertebb váltzata: Apple FireWire márkanevű termék) Erre a prtra maximum 63 külső eszköz csatlakzhat Példa: multimédiás eszközök, digitális videókamerák csatlakztatása f) Készülékház típusk Ebben találhatóak a számítógép fő részei. Feladata tvábbá, a megfelelő szellőzés biztsítása a részegységek számára. Hmlkzatán kapcslók (pwer, reset), illetve fiókhelyek (a CD-ROM, Flppy meghajtó, stb) helyezkednek el. Hátulján perifériák számára találunk csatlakzókat. Tápegységének ( W) feladata, pedig az egyes részegységeknek árammal való ellátása. Az alábbi négy készülékház frdul elő a számítástechnika piacán: asztali, baby, Mini trny, szerver trny. Természetesen a piacn megtalálhatók egyedi, néha extrém megldásk is. 6